Fiche de révision : Machines d’entraînement industrielles

📋 Plan du Cours

1. Rôle et sélection d’un driver
2. Familles de machines d’entraînement
3. Vitesse, couple et puissance
4. Moteur asynchrone et synchronisme
5. Puissance et rendement des moteurs
6. Protection et démarrage des moteurs
7. Principes des turbines à vapeur
8. Architectures des turbines à vapeur
9. Turbines à gaz industrielles
10. Expanders et détente des fluides
11. Dynamique des machines tournantes
12. Méthode de sélection et applications

📖 1. Rôle et sélection d’un driver

🔑 Notions clés & Définitions

• Machine d’entraînement : Fournit la puissance mécanique nécessaire à une machine entraînée telle qu’une pompe, un compresseur, une soufflante ou un alternateur.

📝 Points essentiels

• 🔄 La chaîne énergétique générale suit les étapes suivantes:
  1. source d’énergie
  2. machine d’entraînement
  3. arbre ou accouplement
  4. machine entraînée
  5. procédé

📌 La sélection d’un driver doit tenir compte simultanément de la puissance, de la vitesse, de la source d’énergie, du démarrage, des conditions du site, des auxiliaires, de la sécurité, de la maintenance et des conditions de fonctionnement.

💡 Astuce mémo

Source d’énergie → driver → arbre → machine entraînée → procédé

📖 2. Familles de machines d’entraînement

📝 Points essentiels

• Les quatre familles étudiées sont:

  • moteurs électriques
  • turbines à vapeur
  • turbines à gaz
  • expanders

• Les moteurs électriques utilisent l’électricité, les turbines à vapeur utilisent l’énergie thermodynamique de la vapeur, les turbines à gaz convertissent l’énergie chimique du combustible après combustion et les expanders utilisent la détente d’un fluide.

📖 3. Vitesse, couple et puissance

★ À maîtriser

📐 Formule — La vitesse angulaire est reliée à la vitesse de rotation par $\omega=\frac{2\pi N}{60}$, où $N$ est en tours par minute et $\omega$ en radians par seconde.

📐 Formule — La puissance mécanique transmise par un arbre vérifie $P=C\omega$, où $C$ est le couple et $\omega$ la vitesse angulaire.

Compléments

📐 Formule — À puissance constante, le couple se calcule par $C=\frac{P}{\omega}$ ; une diminution de la vitesse augmente donc le couple nécessaire.

💡 Astuce mémo

Puissance = couple × vitesse ; couple et puissance ne sont pas la même grandeur

📖 4. Moteur asynchrone et synchronisme

🔑 Notions clés & Définitions

• Moteur asynchrone : Transforme l’énergie électrique en énergie mécanique grâce à un champ magnétique tournant qui induit des courants dans le rotor et crée un couple électromagnétique.

📝 Points essentiels

📐 Formule — La vitesse de synchronisme d’un moteur est $N_s=\frac{60f}{p}$, où $f$ est la fréquence et $p$ le nombre de paires de pôles.

📐 Formule — Le glissement d’un moteur asynchrone est $s=\frac{N_s-N}{N_s}$ et son expression en pourcentage est $s_{\%}=100s$.

💡 Astuce mémo

Fréquence → champ tournant → glissement rotorique → couple

📖 5. Puissance et rendement des moteurs

★ À maîtriser

📐 Formule — La puissance active absorbée par un moteur triphasé est $P_a=\sqrt{3}UI\cos\varphi$.

📐 Formule — Le rendement du moteur est $\eta=\frac{P_u}{P_a}$, ou encore $P_u=\eta P_a$.

Compléments

• Pour un moteur alimenté sous 380 V et 15,5 A avec un facteur de puissance de 0,86 et fournissant 7,5 kW utiles, la puissance absorbée est d’environ 8,77 kW et le rendement est d’environ 85,5 %.

📖 6. Protection et démarrage des moteurs

📝 Points essentiels

📌 Selon les recommandations API données, le surdimensionnement de la puissance nominale du moteur est de 125 % si la puissance maximale nécessaire est inférieure à 22 kW, de 115 % entre 22 et 55 kW et de 110 % au-delà de 55 kW.

📐 Formule — Pendant le démarrage, le couple d’accélération vérifie $C_{\mathrm{acc}}=C_{\mathrm{moteur}}-C_{\mathrm{résistant}}$ et l’accélération exige $C_{\mathrm{acc}}>0$.

📌 La classe d’isolement caractérise la tenue thermique des bobinages, l’indice IP décrit la protection contre les corps solides et les liquides, tandis que l’ATEX concerne l’adaptation du moteur à une atmosphère explosible.

💡 Astuce mémo

Protection IP contre les agressions physiques ≠ certification ATEX contre l’explosion

📖 7. Principes des turbines à vapeur

🔑 Notions clés & Définitions

• Turbine à vapeur : Transforme une partie de l’énergie thermodynamique de la vapeur en énergie mécanique de rotation pendant sa détente à travers des organes fixes et mobiles.

★ À maîtriser

📌 Dans une turbine à contre-pression, la pression d’échappement vérifie $P_{\mathrm{éch}}\geq P_{\mathrm{atm}}$ et la vapeur peut alimenter un réseau, tandis que dans une turbine à condensation $P_{\mathrm{éch}}<P_{\mathrm{atm}}$ et la vapeur est dirigée vers un condenseur.

Compléments

• Le soutirage consiste à prélever une partie du débit de vapeur à un ou plusieurs étages intermédiaires pour alimenter un réseau vapeur ou améliorer le rendement du cycle.

📖 8. Architectures des turbines à vapeur

★ À maîtriser

📌 Une turbine monoétagée réalise la détente en une seule étape et convient notamment aux petites puissances, tandis qu’une turbine multiétagée répartit la détente sur plusieurs étages et constitue la solution habituelle au-delà d’environ 10 MW.

📌 Dans une turbine à action, toute la détente est réalisée dans les parties fixes, tandis que dans une turbine à réaction la détente se poursuit dans les parties mobiles et crée une poussée axiale non nulle.

Compléments

• Une roue Curtis utilise plusieurs rangées d’ailettes et des éléments de réorientation pour récupérer une part importante de l’énergie cinétique avec un couple élevé et une vitesse de rotation plus faible.

💡 Astuce mémo

Action : détente fixe ; réaction : détente fixe et mobile

📖 9. Turbines à gaz industrielles

🔑 Notions clés & Définitions

• Puissance ISO : Puissance de référence mesurée à 15 °C, sous pression barométrique normale et avec 65 % d’humidité relative.

★ À maîtriser

• 🔄 La chaîne énergétique d’une turbine à gaz suit les étapes suivantes:
  1. aspiration de l’air
  2. compression
  3. combustion
  4. détente des gaz chauds
  5. rotation de la turbine
  6. production de puissance sur l’arbre

📌 Les turbines à gaz Heavy Duty sont lourdes, robustes et adaptées aux fortes puissances, tandis que les turbines aérodérivatives sont plus légères, compactes, flexibles et plus sensibles aux conditions ambiantes.

Compléments

• Les plages de puissance indiquées sont de 30 à 600 MW pour les turbines Heavy Duty et de 5 à 80 MW pour les turbines aérodérivatives.

💡 Astuce mémo

Air → compression → combustion → détente → puissance d’arbre

📖 10. Expanders et détente des fluides

★ À maîtriser

📌 Une détente statique dans une vanne dissipe l’énergie disponible sans produire de travail mécanique utile, tandis qu’une détente dynamique dans un expander peut convertir une partie de cette énergie en travail.

📐 Formule — Dans le modèle de détente de Joule-Thomson à travers une vanne, l’enthalpie massique reste constante : $h_1=h_2$.

📐 Formule — Pour une détente isentropique idéale dans un expander, $s_1=s_2$ et le travail spécifique récupérable est approximativement $w_{\mathrm{is}}\approx h_1-h_{2s}$.

• Les expanders servent soit à récupérer de l’énergie mécanique pour entraîner un alternateur, un compresseur ou un compander, soit à produire du froid pour la liquéfaction, la séparation d’air et les procédés cryogéniques.

Compléments

• Les rendements des expanders cités pour les applications étudiées sont de l’ordre de 70 à 90 %.

💡 Astuce mémo

Vanne : détente isenthalpique sans travail récupéré ; expander : détente avec travail et refroidissement

📖 11. Dynamique des machines tournantes

🔑 Notions clés & Définitions

• Résonance : Apparaît lorsque la fréquence d’excitation de la rotation approche une fréquence propre du système rotor-paliers, ce qui peut augmenter fortement l’amplitude des vibrations.

★ À maîtriser

📐 Formule — La force centrifuge due à un déséquilibre rotorique vérifie $F_c=me\omega^2$ ; elle varie donc avec le carré de la vitesse angulaire.

📌 Un palier radial reprend principalement les efforts perpendiculaires à l’axe et positionne transversalement l’arbre, tandis qu’une butée axiale reprend les efforts parallèles à l’axe.

Compléments

• La lubrification réduit les frottements, limite l’usure, évacue la chaleur, protège les surfaces et assure le fonctionnement des paliers.

💡 Astuce mémo

Déséquilibre × vitesse² → force centrifuge → vibrations et efforts sur paliers

📖 12. Méthode de sélection et applications

★ À maîtriser

• 🔄 La sélection complète suit les étapes suivantes: définir la machine entraînée, déterminer les conditions normales et maximales, identifier la source d’énergie, vérifier la vitesse, vérifier le couple, examiner les conditions du site, contrôler les auxiliaires, vérifier la sécurité

📌 Pour une turbine à gaz, la température, la pression, l’humidité, la filtration, les pertes de charge, le vieillissement et l’encrassement du compresseur doivent être pris en compte pour estimer la puissance réellement disponible sur le site.

Compléments

• Les applications industrielles citées comprennent:
  • pompes
  • compresseurs
  • groupes turboalternateurs
  • génération électrique
  • cogénération
  • traitement des gaz
  • séparation cryogénique
  • récupération de pression de pipeline

💡 Astuce mémo

Machine entraînée → conditions → énergie → vitesse → couple → site → auxiliaires → sécurité

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des familles de drivers

Comparaison des turbines à vapeur